Wie schnell Elektronenspins tanzen: Chemiker untersuchen Wechselwirkung von Metallverbindungen und Licht

Wie schnell Elektronenspins tanzen: Chemiker untersuchen Wechselwirkung von Metallverbindungen und Licht

Physik-News vom 04.10.2019
 

Metallverbindungen zeigen ein faszinierendes Verhalten in ihrer Wechselwirkung mit Licht, was zum Beispiel in Leuchtdioden, Solarzellen, Quantencomputern und sogar in der Krebstherapie angewendet wird. In vielen Fällen spielt dabei der Elektronenspin, eine Art Eigendrehung der Elektronen, eine besondere Rolle. Den Forschenden Sebastian Mai und Leticia González von der Fakultät für Chemie der Universität Wien ist es gelungen, jene extrem schnellen Spin-Umklapp-Prozesse am Computer zu simulieren, die durch Lichtabsorption von Metallverbindungen ausgelöst werden. Die Studie erscheint in der Fachzeitschrift "Chemical Science".

Wenn Licht auf Moleküle fällt, wird in vielen Fällen eine sogenannte "photoinduzierte" Reaktion ausgelöst. Das kann man sich als ein Wechselspiel von Elektronenbewegung und Kernbewegung vorstellen. Durch die Absorption des Lichtes werden zuerst die Elektronen energetisch "angeregt", wodurch beispielsweise Bindungen geschwächt werden. Daraufhin setzen sich die viel schwereren Atomkerne in Bewegung. Wenn die Kerne zu einem späteren Zeitpunkt in einer passenden Konstellation zueinander stehen, können die Elektronen von einer Bahn auf eine andere wechseln. Dabei kann durch den physikalischen Effekt der "Spin-Bahn-Kopplung" auch der Elektronenspin mit "umklappen".


Extrem schnelle Spin-Umklapp-Prozesse, die durch Lichtabsorption von Metallverbindungen ausgelöst werden, können mit dem Computer simuliert werden.

Publikation:


Mai, Sebastian; González, Leticia
Unconventional two-step spin relaxation dynamics of [Re(CO)3(im)(phen)]+ in aqueous solution
Chemical Science 2019

DOI: 10.1039/C9SC03671G



Durch dieses Bewegungswechselspiel dauern Spin-Umklapp-Prozesse in Molekülen normalerweise relativ lange. Computersimulationen haben aber gezeigt, dass das bei manchen Metallverbindungen nicht der Fall ist. Beispielsweise läuft in dem untersuchten Rhenium-Komplex der Spin-Umklapp-Prozess schon in zehn Femtosekunden ab, obwohl sich in so kurzer Zeit die Atomkerne praktisch nicht bewegen – selbst Licht legt in dieser Zeitspanne gerade einmal drei Tausendstel Millimeter zurück. Dieses Wissen ist vor allem bei der genauen Kontrolle des Elektronenspins – wie beispielsweise bei Quantencomputern – sehr nützlich.

Sebastian Mai und Leticia González haben die Studie durchgeführt.

Untersuchung basiert auf enormer Rechenleistung mit Supercomputer

Eine der größten Herausforderungen der Untersuchung war der große Rechenaufwand, der für die Computersimulationen nötig war. Während heutzutage für kleine organische Moleküle mit mäßigem Aufwand schon sehr akkurate Simulationen durchgeführt werden können, stellen Metallverbindungen eine viel größere Herausforderung dar. Das liegt beispielsweise an der großen Anzahl von Atomen, Elektronen und Lösungsmittelmolekülen, die berücksichtigen werden müssen; aber auch daran, dass der Elektronenspin nur mittels Gleichungen aus der Relativitätstheorie korrekt simuliert werden kann. Insgesamt haben die Forschenden vom Institut für Theoretische Chemie für die Studie am österreichischen Supercomputer "Vienna Scientific Cluster" fast eine Million Rechenstunden aufwenden müssen, was ungefähr einer Rechendauer von etwa 100 Jahren auf einem handelsüblichen Computer entsprechen würde.


Diese Newsmeldung wurde mit Material des Informationsdienstes der Wissenschaft (idw) erstellt


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